单频GPS接收机动态定位的相位与伪距联合算法及其周跳检测

利用单GPS接收机进行实时动态差分时，相位观测值周模糊度的实时确定比较困难；而利用伪距观测值求解位置虽不存在解算整周模糊度问题，但观测噪声较大，将相位和伪距联合起来处理，给予相位和伪距观测值不同的权，在一定程度上改善了法方程的病态性质，解算精度高于单纯的伪距差分，接近单纯的相位差分精度，同时给出了相位与伪距联合算法的数学模型和数值结果，并讨论了动态定位中的周探测方法。     

BDS/GPS/GLONASS多模融合伪距单点定位性能比较与分析

利用最小二乘法原理推导了多系统组合伪距单点定位的数学模型.然后,对不同组合模式(BDS、GPS、GLONASS、BDS/GPS、BDS/GLONASS、GPS/GLONASS和BDS/GPS/GLONASS)的单点定位进行解算和试验比较分析.试验结果表明:多系统(BDS/GPS/GLONASS)组合单点定位与单系统相比,多系统组合具有更多的可视卫星,从而获得了较小的PDOP值,随着截止高度角的增加,可见卫星数逐渐减少,定位精度也会随之降低.然而,在观测条件恶劣、截止高度角较大情况下,单系统和双系统定位精度都较差,三系统组合仍能获得比较好的定位精度,1 d内的定位精度均在10 m以下,优于GPS单点定位精度.使其在建筑物密集区、山区和卫星遮挡较为严重的恶劣条件下具有实际应用价值.     

北斗卫星导航系统/美国全球定位系统载波相位相对定位全球精度分析

文章推导了载波相位相对定位精度的计算公式;分析了影响载波相位相对定位精度的各项因素;提出了频率精度衰减因子的概念,用以表达不同频率组合对定位精度的定量影响;在此基础上,计算并绘制了美国全球定位系统(GPS)、北斗二号(BDS2)、北斗三号(BDS3)及其融合系统的单天解、半小时解和单历元解的相对定位精度因子全球分布图;利用自主知识产权的处理软件(GCN和VENUS/ARSNet)解算了实测数据,检验了GPS和BDS2的单天解和单历元解的定位精度.分析表明:BDS的B1/B2频率定位精度优于GPS L1/L2频率; BDS2在其服务区内精度总体上与GPS相当; BDS3在亚太地区定位精度高于GPS.根据上述结论,文章在导航系统信号频率和全球定位系统(GPS)测量规范方面提出了优化建议,可为系统性能优化和制定标准提供参考.     

基于服务系统的实时精密单点定位技术及应用研究

讨论了实时精密单点定位的若干关键技术,着重研究了实时精密钟差估计算法;利用全球40个IGS跟踪站连续、实时的观测数据流进行实时精密卫星钟差估计,解算出的实时精密钟差与CODE事后精密钟差具有较好的一致性,二者互差的RMS优于0.2 ns.采用实时估计的卫星钟差和IGS发布的超快速精密卫星轨道进行实时精密单点定位模拟实验,结果表明：经过大约15~30 min初始化后,实时精密单点定位滤波收敛之后水平方向的定位精度优于5 cm,高程方向的精度优于10 cm,能满足在该精度级别的实时用户的定位需求.处理汶川地震期间震区的GPS观测数据,结果表明实时精密单点定位能够探测地震发生期间的地面同震位移.     

基于BDS-3的定位性能与区域参考框架维持分析

随着北斗卫星导航系统组网成功,分析北斗系统的定位性能及在区域参考框架维持中的应用具有重要意义.本文以陕西和西部某区域北斗基准站为基础,从卫星数据质量、覆盖能力、网解模式和PPP解模式分析了北斗三号卫星定位性能及在区域高精度参考框架维持的可行性与可靠性.结果表明:BDS-3卫星的位置精度衰减因子(PDOP)优于BDS-2卫星;BDS-3和BDS-2卫星在网解和PPP解的BDS-3定位性能优于BDS-2,网解BDS-3较BDS-2在平面与高程方向精度分别提升2.4％、20.1％;BDS-3 PPP收敛速度优于BDS-2,提高了快速定位的精度;基于BDS-3构建的毫米级高精度区域参考框架的可靠性与GPS在同一水平,平面差异量优于3 mm,垂直差异量级优于7 mm;基于BDS的PPP解平面方向平均差异优于9 mm,垂直方向平均差异优于18 mm,可快速识别区域基准站的变化量进行区域参考框架维护;融合BDS-3维持区域参考框架,可提升区域参考框架维持的可靠性.     

BDS/GLONASS非组合精密单点定位模型与算法

在GPS非组合精密单点定位(PPP)模型的基础上,针对BDS和GLONASS系统各自的特点,分别提出了适用于BDS和GLONASS系统的非组合PPP模型,并在此基础上构建了BDS/GLONASS联合处理的函数模型.新模型中考虑了BDS系统GEO卫星伪距长周期多路径效应引起的系统性偏差(BDS GEO Multipath Bias,BGMB),将其作为参数进行估计;另外,新模型中还考虑了GLONASS系统伪距频间偏差(inter-frequency-biase,IFB),将其参数化为卫星频率号的线性函数,并通过参数重组得到了满秩的函数模型和可估参数的形式.选取了2015年年积日200~230共一个月的11个MGEX跟踪站数据来验证新模型与算法的正确性和有效性,结果表明:将BDS系统伪距BGMB当作参数估计能够显著提高BDS单系统非组合PPP的收敛速度,并能减小伪距残差;通过线性函数来模型化GLONASS伪距IFB能够显著提高GLONASS单系统PPP的收敛速度,并能在一定程度上减小伪距残差;1个月BDS/GLONASS非组合PPP定位误差RMS在北、东、高三个方向分别为6.9 mm、9.1 mm和19.3 mm,表明提出的BDS/GLONASS非组合PPP模型与算法具有良好的定位性能.     

基于GNSS网络的实时精密单点定位及精度分析

基于局域GNSS网络,以历元间、星间差分技术实时估计了GPS卫星相对钟差的历元间差值;针对所估计实时精密钟差的特征,推导了实时精密单点定位的估计模型.对所估计得到的相对钟差的历元间差值、实时定位结果分别进行了比较、分析.结果表明,相对钟差的历元间差值与IGS的最终星历相比其精度可以达到0.08 ns;每小时观测的实时静态定位结果在N、E、U三个方向的精度分别为1.47、3.62、4.09 cm.动态模式,实时结果在N、E、U三个方向的精度分别为2.63、3.82、5.20 cm.与采用IGS最终轨道和钟差解算的结果相比较,实时计算结果优于采用精密轨道和精密钟差计算结果.     

固定非差整数模糊度的PPP快速精密定位定轨

从GPS基本观测模型出发,给出并推导了分离相位小数偏差求解非差整数模糊度的精密单点定位数学模型和算法.利用少量IGS跟踪站组成服务端观测网计算未检校的相位小数偏差改正信息,用于改正用户端接收机的相位观测值,实现了固定非差整数模糊度的快速精密单点定位与定轨.试验结果表明: 利用30 min的地面动态或静态观测数据进行精密单点定位,非差模糊度固定成整数后,其定位结果较PPP浮点解有明显改善,水平方向提高了近一个数量级,可达到1 cm甚至毫米级的精度;高程方向与对流层延迟解算精度也改善了20%~60%.与浮点解相比,固定解能显著改善PPP的定轨精度,仅用15 min的短弧段观测数据,切向与法向的定轨精度可达到1 cm左右;径向方向为3~5 cm左右,较浮点解定轨精度改善了50%~70%.因此,固定非差整数模糊度后的PPP能够满足毫米至厘米级的快速精密定位和定轨的要求,这在GPS(准)实时应用与服务中具有很好的应用前景.     

北斗三号系统进展及性能预测——试验验证数据分析

2017年11月5日第一和第二颗北斗三号系统卫星发射升空,开启了中国北斗全球系统组网建设工程.为了验证北斗全球卫星导航系统的信号载荷和设计性能,2015至2016年间先后发射了五颗北斗三号试验卫星,较全面验证了北斗三号系统的性能.文章侧重描述北斗三号试验系统卫星钟、星间测距、时间同步和卫星定轨性能;详细分析了北斗三号民用信号的信噪比、伪距误差随高度角变化、多路径误差、空间信号综合质量、授时精度等;并与北斗二号系统相关性能进行了比较;最后基于现有试验卫星信号性能,预测了未来北斗全球系统的定位、导航和授时(PNT)性能.     

星基增强系统L1频段信息服务性能分析

在北斗全球导航服务进程中,北斗星基增强服务的建设是我国卫星导航事业自身建设和不断完善发展的内在需求,更是我国卫星导航系统标准化建设的必然要求。本文基于星基增强信息定位原理,研究并实现星基增强系统的标准定位算法,采用IGS站点数据及增强信息电文,对WAAS与EGNOS系统服务性能进行分析评估,在“陆态网络”数据处理中,加入SBAS信息也可对相关误差进行改正。结果表明,加入播发的差分改正信息定位精度相对于伪距单点定位显著提高,平面方向统计均方根残差优于1m,高程方向优于1.2m;研究发现受地面参考站分布区域以及电离层、观测星座的影响,WAAS和EGNOS在定位服务性能覆盖范围内均表现出一定的区域性。从总体分析来看,不同系统空间段GEO卫星播发SBAS消息特性不一,均满足单频定位需求,EGNOS稳定性低于WAAS系统,播发消息时有中断现象,在实时单频定位性能方面,WAAS的服务性能较EGNOS得到更优的解算结果。     

北斗导航定位系统（BDS）下地壳运动监测精度分析

为分析北斗导航定位系统（BDS）在地壳运动监测领域的数据精度,选取中国大陆构造环境监测网络（陆态网络）2018—2019年川滇地区GPS、BDS多系统观测站点数据,分别对GPS、BDS记录的数据进行解算,从三维坐标解、位置时间序列及速度场等方面,对比分析二者在地壳运动监测中的不同,综合分析BDS对地壳运动监测精度。结果表明,BDS定位精度达到cm级,但仍低于GPS精度,BDS、GPS速度场模型运动方位和速度值有所不同,垂向差异较为明显。总体来看,北斗系统数据满足高精度定位解算要求,可用于监测形变量较大的区域地壳运动。     

精密单点定位整周模糊度快速固定

提出利用GPS参考网估计电离层延迟、卫星相位偏差的算法,用于实现区域内精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)的整周模糊度快速固定.利用站间距约为100~200 km的参考网进行实验,结果表明:电离层延迟的内插和外推精度均优于1 dm,卫星相位偏差估值的日内变化不超过0.2周;此外,单天内不同时刻始,固定PPP整周模糊度所需时长最多不超过10 min,且当模糊度成功固定后,三维位置解较之相应浮点解的精度改善优于80%.新算法可望解决PPP普遍存在的收敛时间过长问题,增强了PPP技术的实用性.     

联合星载GPS和KBRR星间测速数据反演GRACE时变重力场模型

高精度GRACE卫星时变重力场反演一直是卫星重力测量中的难题.为了恢复高精度的时变地球重力场模型,本文联合GRACE卫星的星载GPS和KBR星间测速观测数据,在对GRACE卫星进行精密定轨的同时,解算出60阶月平均地球重力场模型.通过对GRACE卫星的定轨精度、星载GPS相位和KBR星间测速数据的拟合残差以及时变地球重力场模型解算精度等分析,表明:(1)与美国宇航局喷气推进实验室(JPL)发布的约化动力学精密轨道相比,本文确定GRACE卫星轨道三维位置误差小于5 cm.(2)星载GPS相位数据拟合残差为5~8 mm,KBR星间测速数据拟合残差为0.18~0.30μm·s~(-1).(3)解算的月平均重力场模型与美国德克萨斯大学空间研究中心(CSR)、德国地学研究中心(GFZ)和JPL发布的RL05模型精度接近,时变信号在全球范围内具有很好的空间分布一致性.通过计算亚马逊流域和长江流域的水储量变化,本文与上述三个机构的计算结果无明显差异,且相关系数均达0.9以上.可见,本文建立的卫星轨道与重力场同解算法具有反演高精度GRACE时变重力场能力,为我国卫星重力场反演提供了重要的技术支持.     

电离层GPS掩星观测反演技术

在电离层局部地区球对称假设下,推导了利用双频和单频无线电掩星观测数据,反演电离层电子密度剖面的两种方法. 双频反演的误差来自于载波相位的观测误差,单频反演误差则主要由伪距的观测精度决定. 由于载波相位测量精度比伪距测量精度高两个量级,因此双频反演的精度一般比单频反演的高些. 不过,两载波信号L1和L2之间的传播路径差异会给双频方法带来误差. 利用三维射线追踪的程序模拟的无线电掩星数据来评估这些方法,结果表明,反演出的电离层剖面与给定的模式电离层非常吻合,验证了两种方法的可靠性和准确性. 将这两种反演方法应用于处理实测的GPS/MET掩星观测数据,均能获取合理的电离层剖面信息. 且单频方法得到的反演剖面与双频方法相当一致, 这为利用LEO星载单频GPS接收机进行电离层掩星观测提供了理论基础.     

先验光压模型对Galileo卫星产品性能的影响分析

光压模型的精确与否对导航卫星的定轨精度起着至关重要的影响.为了分析先验光压模型对Galileo卫星轨道和钟差解算精度的影响,本文利用Galileo/GPS联合数据处理策略对比了先验光压模型加入前后,IOV(In Orbit Validation)卫星和FOC(Full Operational Capability)卫星轨道和钟差解算精度的改善情况.结果显示,先验光压模型对IOV卫星定轨精度改善显著,尤其表现在径向方向,与COM轨道产品比较,定轨精度为1.6 cm,改善率达到68.6%;先验光压模型对FOC卫星定轨精度的改善效果不如IOV卫星,但同样提高了FOC卫星的定轨精度,与COM轨道产品比较,径向定轨精度2.6 cm,改善率为29.7%.此外,先验光压模型也显著改善了IOV卫星和FOC卫星钟差解算的STD结果,与COM钟差产品比较,改善率分别为44%和37%.     

一种能实现单频PPP-RTK的GNSS局域参考网数据处理算法

全球范围内大量布设的GNSS(Global Navigation Satellite System)参考网为精密定位、导航和授时等应用提供了丰富的数据资源.基于局域参考网,先后发展了若干侧重实现双频精密定位的技术,如NRTK(Network Real Time Kinematic),PPP(Precise Point Positioning)和PPP-RTK等.其中,PPP-RTK融合了NRTK和PPP的技术优势,是目前相关研究的热点.本文改进了利用局域参考网提取各类改正信息的算法,以便于实现单频PPP-RTK,具体步骤包括:1)逐参考站实施非组合PPP,并固定已知站星距和卫星钟差,预估电离层延迟、浮点模糊度等参数;2)联合所有参考站的PPP模糊度预估值,通过重新参数化,形成一组双差整周模糊度和接收机、卫星相位偏差;3)固定双差整周模糊度,精化求解卫星相位偏差和各参考站PPP电离层延迟.基于网解中用到的卫星轨道和钟差,以及网解所提供的卫星相位偏差和(内插的)电离层延迟,参考网内的单频流动站即可实施PPP-RTK.基于澳大利亚某连续运行参考站网和流动站的实测数据,考察了:1)参考网数据处理中,双差模糊度的固定成功率(98.89%)和卫星相位偏差估值的时间稳定性(各连续弧段优于0.2周);2)流动站处电离层延迟的内插精度(优于10cm);3)单天内任一历元起算,固定静态(动态)单频PPP整周模糊度所需时长(均不超过10min);4)模糊度固定前后,单频动态PPP的定位精度(模糊度固定后,平面和天顶RMS分别优于5cm和10cm;模糊度固定前,相应RMS仅为28~53cm).     

2009年7月22日日全食引起的电离层扰动及其对定位的影响

2009年7月22日发生在亚太地区的日全食,从北半球中纬地区一直延伸到南半球中纬地区.这次日食期间发生的磁暴和日食时间同步,使得电离层变化较为复杂.为了分析日食期间电离层扰动及其对定位的影响,所采用的GPS数据来源于日全食带内的重庆CORS网(4个站)、武汉CORS网(8个站)数据、IGS站WUHN、SHAO的数据,以及日偏食区域内不同纬度处的若干IGS站.通过比较日食前后连续三天的各个地方TEC变化,以及利用高采样率的CORS网数据研究日食期间TEC的瞬时变化,根据位置和时间的不同,各地日食期间TEC下降约(1~4)TECU.但是,磁暴期间TEC的响应整体表现为正相暴,偏离值达50%以上,且和日食食甚后的TEC变化相重合.同时,求解了日食期间伪距单点定位的实时精度和CORS网内中短基线的实时精度,伪距单点定位的平面精度变化不显著,高程精度下降达数十米,日食初期CORS网中基线的平面精度仍在厘米级内,高程精度仍在分米级内,但是,日食后期发生的磁暴导致基线的平面精度下降到分米级,高程精度下降到米级.     

一种新型重力测量卫星系统确定全球重力场的性能分析

本文设计了一种高-低卫星跟踪卫星、低-低卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量相结合的新型重力测量卫星系统,其可在一定程度上发挥卫星重力梯度和低低卫星跟踪卫星两种测量模式各自的优势.基于重力卫星系统指标设计的半解析法,深入分析了不同重力测量卫星系统配置和不同观测量及其不同白噪声水平情况下,新型卫星重力测量模式反演重力场模型的能力.数值模拟分析结果表明：在观测值精度和星间距离相同的条件下,轨道高度是影响重力场反演精度的关键因素;随着星间距离的增大,高频重力场信号反演精度会先提高后降低,轨道高度在200~350 km之间时,星间距离在150~180 km之间时反演精度最优;星间距离变率和卫星重力梯度两类观测值仅在某些精度配置时可达到优势互补,如果某一类观测值精度很高,则另一类观测值在联合解算时贡献非常小或者没有贡献.在300 km轨道高度,若以GRACE和GOCE任务的设计指标1 μm·s^-1/√Hz和5 mE/√Hz来配置新型重力测量卫星系统中星间距离变率和引力梯度观测值的精度,联合两类观测值解算200阶次模型大地水准面的精度比独立解算分别提高1.2倍和2.8倍.如果以实现100 km空间分辨率1~2 cm精度大地水准面为科学目标,考虑卫星在轨寿命,建议轨道高度选择300 km,星间距离变率和卫星重力梯度的精度分别为0.1 μm·s^-1/√Hz和1 mE/√Hz.本文的研究成果可为中国研制自主的重力测量卫星系统提供参考依据.     

GRACE卫星关键载荷实测数据的有效处理和地球重力场的精确解算

首先对美国喷气推进实验室（JPL）公布的2007-06-01～2007-12-31时间段内的GRACE Level 1B卫星GPS轨道位置和速度、K波段系统星间速度、加速度计非保守力以及恒星敏感器姿态实测数据对应进行了轨道拼接、粗差探测、线性内插、重新标定、坐标转换、误差分析等有效处理;其次,基于改进的能量守恒法恢复了120阶GRACE地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为25.313 cm;最后,检验了本文地球重力场模型IGG-GRACE的可靠性,同时分析了IGG-GRACE解算精度在低频部分略优于德国波兹坦地学研究中心（GFZ）公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型,而在中高频部分略低的原因.     

顾及多方向观测值权比反演地球重力场的动力积分法

考虑到不同坐标系下各个方向观测值对反演地球重力场的频谱贡献不同,建立了顾及多方向观测值权比的动力积分法,并利用该方法反演了高精度的GOCE HL-SST卫星重力场模型.首先,分析了不同坐标系下各个方向观测值与地球重力场信息的响应关系,其中惯性系(IRF)下X、Z方向的观测值分别对扇谐系数、带谐系数最为敏感,Z方向的解算精度在全频段均略高于X、Y方向;地固系(EFRF)下各个方向的独立解算精度均与能量守恒法的解算精度相当;局部指北坐标系(LNOF)下X、Z和Y三个方向的解算精度依次递减,且Y方向在47阶附近有明显"驼峰"现象.其次,比较了不同坐标系下顾及三个方向观测值权比的加权解算模型,其中加权联合解算模型精度在20至70阶次均明显优于等权解算模型,在带谐项和共振阶次精度提升明显,且LNOF下的加权联合解算精度要优于IRF和EFRF.最后,比较了GOCE和CHAMP卫星的模型解算精度,采用本文计算方法,仅利用2个月GOCE轨道观测值解算的模型精度优于包含更长观测时段信息的AIUB-CHAMP01S和EIGEN-CHAMP03S模型,且略优于ASU-GOCE-2months模型.